[科普中国]-直流配电网能量优化控制技术

背景

21世纪以来，随着电力电子技术瓶颈的不断突破，柔性直流系统在公共配电领域以其固有的“直流”优势逐渐引起了国内外众多专家与学者的重视。Uregory F. Reed等学者通过一系列的文献调研与仿真研究，指出直流配电系统是包含中压配电网和用户侧配电网的公共配电网络，其中中压直流配电网作为高压输电网与低压配电网间的重要衔接环节，具有广阔的应用前景。由于新能源发电、储能系统和电动汽车等技术主要以直流作为本地电能载体，因此发展直流配电技术并利用其对于分布式新能源和储能系统的良好兼容性，可以有效地减少换流站的建设成本与换流过程中的能量损耗曰，进而促进能源的合理、经济利用。随着新能源渗透率的日渐提升，可以预见，直流配电网在减少传统发电对环境的影响等方而将有显著效果。

从目前用电负荷的发展来看，随着信息化时代的到来，与计算机相关的数据中心、计算中心、网络中心等直流负荷的广泛应用己经成为这个时代的标志，有研究统计了美国目前的楼宇用电情况，指出全美楼宇总用电量的30%在供上述设备使用前要经换流设备转换为直流，并且该比重在未来的10-15年内将达到8000。由此，当考虑换流过程的电能损耗以及换流设备的购置成本与空间价值时，直流配电网在降低负荷用电成本方而具有明显的经济与效率优势。

就直流系统线路本身的送电性能方而考虑，由于交流系统在电能传输时其无功功率存在自然损耗，而有功功率则会在电缆金属护套中产生涡流，因此在相同电压等级、电流密度条件下，直流系统单位长度的线损仅为交流系统的1500-5000，而当采用双极直流系统送电时，其容量可达到交流系统的1. 5倍。此外，对由锂电池、超级电容器组成的多类型储能系统以及光伏发电等特殊单元进行了仿真研究，指出包含上述单元的直流系统可以为用户提供高质量的电能，是未来电能质量研究的重要方向。除上述特性外，通过对“San Francisco Bay”直流工程的研究，直流系统因其相较于交流的弱电磁场环境，在对人口和工业密集的城市进行电能配电这方而具有明显的优势，为直流配电网的发展提供了工程经验的支持1。

近年来，国内外越来越多的研究关注于中压直流配电网的未来发展，但针对直流配电系统的能量优化管理和基于优化指令的换流接口协调控制等相关技术的研究仍有待进一步深入研究。

直流配电网系统结构通过对未来中压直流配电网的并网电源与负荷进行了讨论和展望，直流配电系统的设计应考虑可再生能源发电、储能设备应用、智能电网接入等新技术的融合，并且充分利用直流系统高水平电能质量的供电优势，以适应不同技术条件下的负荷用电需求。因此，综合上述直流系统的特点与优势可知，直流配电网在未来发展中将作为“嵌入式”网络为配电网内负荷密度较大区域或重要、敏感负荷提供电能，其系统能量结构如图所示。该系统在并网运行时以交(直)流输电网经换流(变压)接口后的直流输出作为配电网主要电源，可以通过多个换流接口与其他交流配电网进行能量交互，有包括风电、光伏发电等可再生新能源和柴油发电机、燃料电池等可控型分布式电源以及储能系统、电动汽车充(换)电站等电能存储单元接入，同时考虑交(直)流敏感负荷和用户侧低压直流配电网等用电负荷的并网运行川。当输电网或其所接换流站发生短时故障而导致配电网系统脱网运行时，为保证重要负荷供电的连续可靠，直流配电网将对系统内部的分布式电源及储能单元进行能量优化管理，增大电能输出并切除部分负荷及配电网互联接口，以使系统具有一定的故障穿越能力2。

基于右图所示的系统结构，有研究对20 kV中压直流配电系统进行了简化和初步仿真研究，展示了基于中性点钳位5电平交流一直流换流器的直流系统运行输出波形。在此基础上对电动汽车充电行为进行了仿真建模研究，在系统中加入储能单元，验证了直流配电系统对于电动汽车充电具有更高的效率。但是上述研究在控制指令确立时没有考虑系统的建设、运行维护等经济成本，因此其实际应用价值仍有待进一步的验证;并且仿真系统中的负荷模型较为简单，对于配电网负荷灵活多变的用电行为和并网单元间电能质量的交互影响等问题有待更为深入的研究。

此外，实际的中压直流配电网作为连接高压与低压直流系统的中间网络，应具有多个电压等级少，以满足不同电源的接入和负荷的用电需求。因此，针对多电压等级直流配电网建立电压等级序列及评价体系，为实现系统能量的优化管理，从直流配电网新能源接纳能力、送电容量、供电距离(半径)和电气绝缘保护等可靠性方而以及新能源能量有效利用、方便其渗透率提升及减少运行控制中电力电子装备成本代价等经济性方而综合评估和建立多电压等级运行标准}。在多电压等级配电网拓扑的基础上，针对系统运行潮流及配电网电源、负荷的运行特点建立数学模型，根据系统不同运行状态制定系统能量优化管理策略，设计合理算法以得到各并网单元的能量优化控制指令；在得到系统能量优化控制指令后，开展系统并网单元及各个换流器间的协调控制研究，建立系统运行的电磁暂态仿真模型，将是直流配电网未来发展的重要研究方向3。

直流配电网能量优化管理由于公共直流配电网运行状态多变且功能结构复杂，除多端直流系统潮流和并网接口换流约束外，在并网单元建模时还需从系统的角度考虑可再生能源的不确定性出力、储能系统的充放电行为以及负荷的随机性用电需求等运行约束，因此如何在满足系统安全可靠运行的条件下，设计合理的系统能量管理策略及调度算法，优化各个接入单元的运行状态与控制指令，实现有限资源的高效、可靠利用，是直流配电网能量优化管理研究有待解决的核心技术难题4。

直流配电网潮流计算总结国内外研究成果可知，考虑换流过程的多端直流系统潮流计算研究主要存在以下3个问题：①平衡节点选择；②潮流方程求解；③系统换流过程等效计算。其中换流过程的等效计算作为直流配电网潮流求解中一项特殊的重要步骤，是该问题的研究难点。

由现有工程经验可知，输电系统相较于分布式电源具有更大的容量和更好的稳定性，因此仍将是未来直流配电网的主要电能来源。而输电网的上述特点可以满足平衡节点保持母线电压恒定和灵活输出功率以补偿系统能量缺额的要求，因此输电网侧换流输出将是平衡节点的首要选择即。但就目前的工程应用而言，出于经济、安全以及建设周期等考虑，现阶段普遍采用输电网电能经多个换流接口注入直流系统的方式少，此时相应换流站动态响应特性和备用容量就成为平衡节点选择的重要考量依据。

对于系统潮流方程求解，由于系统中光伏、风电等分布式电源以及储能设备的存在，使得直流配电网具有潮流双向流动的发展需要。目前，交替求解法与统一求解法是解决多端柔性直流系统潮流计算问题的2种较为成熟的方法，前者可以有效地兼容己有的交流计算软件，因此相比于后者在算法复杂度和计算资源占用等方而具有一定的优势;而后者相比于前者则在程序扩展性和计算收敛性等方而具有较为明显的优势。基于交替求解法提出了典型的多端柔性直流系统潮流计算模型和数学求解方法，该模型可以同时满足多个直流系统与交流系统的能量交互，且直流网络拓扑结构不受限制，故对于直流配电网的潮流计算研究将起到较好的借鉴作用。

在换流损耗方而，换流损耗在数学模型上可由常量与变量两部分表示:前者可以等效为直流配电线路上的并联阻抗所造成的有功损耗，在形成节点导纳矩阵时给予修正，而后者与交流侧电流平方成正比，可等效为交流侧换流变压器的阻抗增量。该方法在直流配电网并网运行时可以较为准确地计算换流过程的能量损耗，但在直流平衡节点处由于系统交互功率未知且损耗计算方式复杂，故将大大增加潮流程序的计算量，因此有待进一步改进和验证。

系统能量优化策略现阶段，直流系统能量优化管理策略中的算法模型主要由约束条件和优化目标两部分组成。前者要求管理策略在不同的运行条件下都能保证系统的稳定与安全，并满足并网单元和重要设备的安全可靠运行要求;而后者则要求在满足约束条件的前提下，针对问题特点对目标进行数学模型描述，并选择有效的解决手段以实现系统预定的目标最优化计算。

（1）系统能量平衡策略

如前所述，鉴于直流配电网在并网和脱网2种运行状态下由不同的电源、负荷组成，所以该系统在不同能量平衡关系下应具有不同的运行约束及经济优化模式;此外，由于直流配电系统中的可再生能源受自然条件影响其出力具有不确定性，并且电动汽车并网和负荷用电也具有随机性，故系统能量平衡状态将存在较为严重的波动，这一波动在危害系统电能质量和运行安全的同时，也相应增加了硬件设备的性能要求和建设成本。因此，如何合理有效地平抑系统能量平衡状态的波动，建立不同能量平衡关系下的系统能量管理策略是直流配电网能量优化管理研究的首要问题。在系统能量平衡状态波动平抑方而，鉴于光伏发电与风电存在自然的互补优势，有研究在目标函数中引入能量波动惩罚因子，实现风电、光伏发电出力最大化和可再生能源联合出力波动最小化目标的兼顾优化;但是，该方法在日前层完成系统能量波动平抑调度，而对于系统运行的实际干扰和突发情况无法做出反应，因此，其波动抑制的实际效果有待进一步验证，可考虑与实时平抑方法相结合。基于模型预测控制技术提出风电场功率波动平抑优化控制算法，以较少的储能容量实现了系统的实时经济最优控制。但是，该算法的预测时长仅为10 s，在该时段内风电波动较小，故其优化作用不明显。因此，如何在满足系统实时控制要求的前提下，对优化细节做适当取舍并利用有限的计算资源实现较长时段的滚动优化，以增强算法的优化效果是一个值得改进的研究问题。

当系统能量关系改变时，有研究指出直流母线电压稳定是系统能量平衡和稳定运行的重要前提，因此提出了考虑系统电压稳定的直流系统能量优化管理策略。该策略利用储能电池充放电运行对3种系统能量平衡关系下的直流系统进行优化控制，并提出了在脱网重负荷或持续脱网情况下考虑母线电压稳定阂值的负荷切除策略，最大限度减少负荷的切除量并满足重要负荷持续可靠安全用电要求。但是该模型没有考虑储能设备充放电损耗，因此其优化结果的经济性有待进一步验证。出于系统运行成本的考虑，针对系统脱网运行状态，考虑系统容量备用、负荷断电和储能设备充放电状态等多种运行约束，计及储能系统充放电损耗成本并引入弃风惩罚因子和负荷断电补偿因子以总运行成本最小为目标，建立系统能量优化管理策略;对比了相同额定容量下，电池储能系统和电动汽车换电站在作为系统储能装置时的系统功率平衡效果，证明了后者在可再生能源接纳能力和系统经济性提升等方而具有明显的优势。但是该研究模型没有考虑储能设备的容量成本，其“满充满放”管理机制使得储能设备的利用率较低，并且对于优化过程中的储能容量选取缺少科学有效的论证，因此有待进一步完善。

（2）多时间尺度能量管理

由于能量优化管理问题同时包含了分布式电源机组组合、储能系统运行计划和系统能量实时管理等诸多方而，因此仅考虑系统单一时间尺度下的不同能量平衡关系仍较难保证其经济性最优运行。因此，近年来基于多时间尺度的系统能量优化管理研究受到越来越多的关注。从现有研究结果不难发现，多时间尺度系统能量优化管理问题主要包括日前计划、实时调度2个阶段。

在日前计划阶段，可再生能源发电预测和系统负荷预测是2项尤为重要的研究内容，直接关系到系统发电成本、电源备用容量和储能系统运行计划等经济指标，习。目前较为成熟的预测方法可大致分为功率曲线预测和建模预测2类;而后者因其对实际变化的快速响应能力在近年来得到更多的关注与应用，其建模类型主要包括以下3种，即物理建模、信息统计建模和学习型建模。

有文献基于日前预测所得数据，提出多时间尺度能量优化管理策略，利用调度中心指令优化与本地控制优化相结合的方法，有效地解决了日前计划与实时功率平衡的协调优化问题;该模型考虑了储能电池充放电损耗的经济性，将储能电池每天一次充放循环作为优化目标，以期提高电池使用寿命，降低系统运行维护成本。然而，该模型对储能充放电深度的设定缺少科学论证，并且模型中经预测所得结果与实际系统运行状态必然存在一定的误差，因此相应修正策略将会增加程序的计算压力和复杂程度。鉴于此，有研究提出一种基于系统数据及电力市场信息的实时优化控制策略，以电动汽车作为储能单元参与系统的功率平衡与控制。针对电动汽车运营策略，提出一种计及充电费用和电池损耗的充放电盈利模式。该策略可以根据系统实时电价等信息得出当前系统的最优决策，对缺少历史运行数据的新系统具有良好的适应性，并且对系统实时调度层的电动汽车管理策略有较好的借鉴作用。但是由于经济模型中的“放电回报系数”很大程度上决定了电动汽车的积极性以及配电网的经济收益，所以如何对该参数进行合理选取将是该运营策略成功的关键，有待进一步研究。

在系统不同能量平衡关系的多时间尺度优化研究方而，有研究针对并网、脱网2种运行状态提出具有日前计划和实时调度双层优化结构的多时间尺度能量管理策略;通过计算日前层储能备用容量以补偿日前计划中可再生能源发电和负荷用电的预测误差，并且在并网和脱网不同情况下采用不同优化目标，从而实现系统能量优化管理。但是该算法仅根据可再生能源的预测容量确定日前层储能备用，势必将造成储能资源的浪费，因此如何根据系统实时运行情况对储能备用进行短时优化调整以减少储能容量需求是一个值得进一步研究的问题。此外，由于该策略中调度层指令间隔是分钟级，无法满足系统波动平抑要求，因此在现有基础上添加更短时间尺度下的系统能量波动平抑控制层，实现3层协调优化是本研究值得进一步深入的方向。

优化指令协调控制直流配电网能量优化与控制技术是一个系统层而的控制问题，其能量优化计算结果作为上层调度指令下达至下层的换流控制器。因此，如何在系统能量优化控制的框架下，根据上层优化指令，克服实际运行时的突发干扰和系统并网负荷及可再生能源的用电、出力波动，实现下层换流器之间的协调稳定快速响应，是直流配电网能量优化控制研究中的又一重要内容。

有研究对多馈入直流系统的协调控制层次结构进行了讨论，并对基本协调控制的实现方式进行了介绍。也有文献在舰船中压直流配电系统中考虑系统出现故障后潮流变化对其余工作设备的冲击和危害，提出电压敏感特性算法，以优化换流器电压和功率指令值。在母线电压稳定控制方而，根据网络规模及系统通信条件的不同，目前换流接口间的基本协调控制模式主要包括电压下垂控制和主从控制2种5。

国内外研究结果表明，协调控制中电压下垂特性的实现可以从程序控制和控制器仿真建模2个层而进行考虑。前者在潮流计算过程中引入下垂参考值，而后者则在控制器中引入独立的指令修正环节或是带有下垂等效电阻的反馈环节以协调控制多个换流器，从而满足系统能量需求。

潮流控制有文献对基于电压下垂协调控制的多个换流站所组成的直流系统进行了潮流研究;考虑部分换流站故障情况下的协调运行，在交替求解法的框架下对潮流算法进行了理论模型的分析和改进，模型引入下垂参考量后，可以在线设定系统换流站的电压下垂指令值，以达到更多电源参与系统功率平衡调节的目的。但该模型没有考虑换流器的实际容量限制，认为换流器的电压下垂控制曲线始终保持线性，该假设在母线电压波动较大时会造成系统换流站的越限运行，故其模拟结果可信度低，不能对实际问题有良好的指导作用。此外，虽考虑了换流损耗，但在换流过程中该模型将换流响应延迟、通信时间延迟以及换流误差等问题理想化，不考虑母线上的电压偏差，因此对于换流响应的实现，还有待进一步的完善。针对上述稳定问题，

控制器仿真建模在控制器仿真建模方而，有文献考虑了换流器的通信延迟、直流母线能量损耗、换流损耗以及反馈信息选取对于换流站电压控制和功率输出的影响，得到了预想的换流电压和功率输出响应波形。但该模型仍存在电压跌落越限的问题，当实际系统受到较大扰动或者负荷增加过大时将导致系统电压跌落超过允许范围，因此仍有待进一步解决。

当配电系统通信条件有限时，调度指令与换流站实际运行状态间存在较大延时，此时在本地控制器层而引入下垂协调控制具有较为明显的优势，可以自动满足通信滞后期间系统的功率平衡需求。并且，由于下垂系数的取值对协调控制效果具有很大的影响.〕，因此在程序设计层而优化选取下垂控制参数具有一定的研究意义。

结语直流配电网的能量优化控制是一个有待解决的复杂问题。从现有文献可知，直流配电网的特殊性除直流潮流约束外，主要体现在换流器的使用、控制方而，其输出约束、损耗计算和调节裕量等问题需要在研究中加以特殊考虑。与此同时，虽然直流配电网的系统能量优化管理策略存在特殊性，但仍可借鉴交流系统中较为成熟的优化模型和优化方法，并考虑上述特殊性对其进行改进和验证，以适应直流配电网的运行特点和技术要求。对国内外关于直流配电网能量优化控制问题的研究进展和重要研究成果进行了综述，提出如下的研究方向以供参考。

1)直流配电网能量优化管理策略研究。研究多时间尺度直流配电网能量优化策略，考虑可再生能源出力、电动汽车充放电等行为的随机性与波动性，综合利用储能系统对直流配电网能量进行优化;研究引入直流配电系统后对原有交流配电网的影响，考虑分布式电源出力与负荷用电的不确定性，对交直流系统随机潮流进行研究;并在此基础上建立系统网损、储能充放电损耗等用电成本经济模型，对系统能量进行优化管理。

2)直流配电网实时控制方法研究。研究可再生能源发电、储能系统和电动汽车充电站等特殊单元并网对直流配电系统暂态运行的影响，改进多换流接口间的直流侧电压稳定协调控制方法;此外，优化下垂特性参数，兼顾其功率调节性能与系统的稳定，也是直流配电系统实时控制研究中的一项重要内容。

3)稳态分析与暂态仿真相结合的系统分析研究。结合系统能量优化管理策略和实时控制方法，建立稳态分析与暂态仿真的平台接口，将优化结果作为暂态仿真中的控制指令，将仿真结果作为稳态分析中的系统状态，对直流配电系统进行分析，实现实时仿真优化。

可以预见，直流配电系统的建立必将大大提高配电系统的能量利用效率，最大程度地实现资源的合理利用，并且降低对环境的影响，从而优化配电网能量结构，进而从根本上改变目前电力市场的经济运行模式。